Свойства проводников Электропроводность металлов
Металл – это пластичное вещество с характерным блеском, хорошо проводящее электрический ток и тепло.
Все свойства металлов объясняются их строением: атомы металла ионизированы, а отделившиеся от них валентные электроны свободны, т.е. принадлежат всему кристаллу. Ионы, расположенные строго упорядочено, образуют правильную кристаллическую решетку.
Электропроводность – это способность вещества проводить под действием не изменяющегося во времени электрического поля не изменяющийся электрический ток.
Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику не происходит переноса вещества, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда. В этих опытах электрический ток пропускали в течении года через три прижатых друг к другу, хорошо отшлифованных цилиндра - медный, алюминиевый и снова медный (рис. 1). Общий заряд, прошедший за это время через цилиндры, был очень велик (около 3,5∙106 Кл). После окончания было установлено, что имеются лишь незначительные следы взаимного проникновения металлов, которые не превышают результатов обычной диффузии атомов в твёрдых телах. Измерения, проведённые с высокой степенью точности, показали, что масса каждого из цилиндров осталась неизменной. Поскольку массы атомов меди и алюминия существенно отличаются друг от друга, то масса цилиндров должна была бы заметно измениться, если бы носителями заряда были ионы. Следовательно, свободными носителями заряда в металлах являются не ионы. Огромный заряд, который прошёл через цилиндры, был перенесён, очевидно, такими частицами, которые одинаковы и в меди, и в алюминии. Как известно, такие частицы входят в состав атомов всех веществ - это электроны. Естественно предположить, что ток в металлах осуществляют именно свободные электроны.
Рис. 1. Опыт Т. Стюарта и Р. Толмена
Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру. Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся по отбросу стрелки гальванометра. Т.Стюарт и Р.Толмен определили экспериментально удельный заряд частиц. Он оказался равным
.
В начале XX века немецкий физик П. Друде и голландский физик Х. Лоренц создали классическую теорию электропроводности металлов. Её основные положения:
1. Хорошая проводимость металлов объясняется наличием в них большого числа электронов.
2. Под действием внешнего электрического поля на беспорядочное движение электронов накладывается упорядоченное движение, т.е. возникает ток.
3. Сила электрического тока I, идущего по металлическому проводнику (рис. 2), равна
,
где e – заряд
электрона, n – количество
электронов, S -
площадь поперечного сечения проводника,
- скорость движения электронов в
электрическом поле.
Рис. 2. Протекание тока в металлическом проводнике
4. Так как внутреннее строение у разных веществ различное, то и сопротивление тоже будет различным.
5. При увеличении хаотического движения частиц вещества происходит нагревание тела, т.е. выделение тепла. Закон Джоуля-Ленца:
.
6. У всех металлов с увеличением температуры растет и сопротивление:
,
Ом,
где α ‒ температурный коэффициент; R0 – базовое сопротивление металлического проводника; R – сопротивление проводника при температуре t. Величины α и R0 являются справочными для проводникового материала.
Количественно электропроводность описывается законом Ома
j=σE,
где σ - удельная электропроводность [См/м]; j ‒ плотность тока [А/м2]; E– напряженность электрического поля [B/м]. Единицей измерения электропроводности является Сименс (См) – величина, обратная Ому. Удельное электрическое сопротивление проводника – величина, обратная удельной электропроводности
,
Ом∙м.
Сопротивление проводника длиной l площадью сечения S рассчитывается по формуле
.
Для проводников ρ составляет от 0,016 (у серебра) до 10-6 Ом∙м для Fe-Cr-Ni сплавов.